微通道反应器

微流控芯片 · 发表于 2023-8-21 14:04

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微通道反应器，也称为微通道换热器，就是通道当量直径在10-1000μm的换热器。这种换热器的扁平管内有数十条细微流道,在扁平管的两端与圆形集管相联。集管内设置隔板,将换热器流道分隔成数个流程。与传统化工生产相比，微通道在精细化工领域具有很大的开发潜力和广泛的应用前景。所以我们一起来从几个反面了解一下微通道吧。

微通道反应器介绍

微通道反应器本质上讲是一种连续流动的管道式反应器。它包括化工单元所需要的混合器、换热器、反应器控制器等。目前，微通道反应器总体构造可分为两种：一种是整体结构，这种方式以错流或逆流热交换器的形式体现，可在单位体积中进行高通量操作。在整体结构中只能同时进行一种操作步骤，最后由这些相应的装置连接起来构成复杂的系统。另一种是层状结构，这类体系由一叠不同功能的模块构成，在一层模块中进行一种操作，而在另一层模块中进行另一种操作。流体在各层模块中的流动可由智能分流装置控制对于更高的通量，某些微通道反应器或体系通常以并联方式进行操作。

微通道反应器的原理

微反应器主要是指以表面科学与微制造技术为核心，经过微加工和精密技术制造的一种多通道微结构小型反应器，而微反应器的通道尺寸仅有亚微米和亚毫米级别。除此以外因为微反应器有优于传统化工设备1-3个数量级的传热/传质特性，所以特别适合做高放热和快速反应的实验。而微反应器原理想必很多人都想了解一下。

微化工技术思想源自于常规尺度的传热机理。对于圆管内层流流动，管壁温度维持恒定时，由公式(1)可见，传热系数h与管径d成反比，即管径越小，传热系数越大；对于圆管内层流流动，组分A在管壁处的浓度维持恒定时，传质系数kc与管径成反比(公式(2))，即管径越小，传质系数越大。由于微通道内流动多属层流流动，主要依靠分子扩散实现流体间混合，由公式(3)可知，混合时间t与通道尺度平方成正比。通道特征尺寸减小不仅能大大提高比表面积，而且能大大强化过程的传递特性。

Nu=hd/k=3.66(1)

Sh=kc/DAB=3.66(2)

t=d 2/DAB(3)

其中Nu为努塞尔数、Sh为谢伍德数、D为扩散系数。化工过程中进行的化学反应受传递速率或本征反应动力学控制或两者共同控制。就瞬时和快速反应而论，在传统尺度反应设备内进行时，受传递速辛控制，而微尺度反应系统内由干传递速率呈数量级提高，因此这类反应过程速率将会大幅度提高；如氧碘化学激光器中的激发态氧发生器(氯气用双氧水碱溶液反应)、烃类直接氟化。慢反应主要受本征反应动力学控制，其实现过程强化的关键手段之一在于如何提高本征反应速率，通常可采用提高反应温度、改变工艺操作条件等措施；而中速反应则由传递和反应速率共同作用，也可采取与慢反应过程类似的措施。目前工业应用的烃类硝化反应大多属于中慢速反应过程，反应时间在数十分钟至数小时，在微反应器内可采用绝热硝化并同时改变工艺条件可使反应时间缩短至数秒。因此，从理论上分析几乎所有反应现状过程皆可实现过程强化。

微通道反应器的分类介绍

微反应器又可分为气固相催化微反应器、液液相微反应器、气液相微反应器和气液固三相催化微反应器等。

气固相催化微反应器 由于微反应器的特点适合于气固相催化反应，迄今为止微反应器的研究主要集中于气固相催化反应，因而气固相催化微反应器的种类最多。最简单的气固相催化微反应器莫过于壁面固定有催化剂的微通道。复杂的气固相催化微反应器一般都耦合了混合、换热、传感和分离等某一功能或多项功能。运用最广的甲苯气-固催化氧化。

液液相反应器 到目前为止，与气固相催化微反应器相比较，液相微反应器的种类非常少。液液相反应的一个关键影响因素是充分混合，因而液液相微反应器或者与微混合器耦合在一起，或者本身就是一个微混合器。专为液液相反应而设计的与微混合器等其他功能单元耦合在一起的微反应器案例为数不多。主要有BASF设计的维生素前体合成微反应器和麻省理工学院设计的用于完成Dushman化学反应的微反应器。

气液相微反应器 一类是气液分别从两根微通道汇流进一根微通道，整个结构呈T字形。由于在气液两相液中，流体的流动状态与泡罩塔类似，随着气体和液体的流速变化出现了气泡流、节涌流、环状流和喷射流等典型的流型，这一类气液相微反应器被称做微泡罩塔。另一类是沉降膜式微反应器，液相自上而下呈膜状流动，气液两相在膜表面充分接触。气液反应的速率和转化率等往往取决于气液两相的接触面积。这两类气液相反应器气液相接触面积都非常大，其内表面积均接近20000m2/m3，比传统的气液相反应器大一个数量级。

气液固三相催化微反应器 气液固三相反应在化学反应中也比较常见，种类较多，在大多数情况下固体为催化剂，气体和液体为反应物或产物，美国麻省理工学院发展了一种用于气液固三相催化反应的微填充床反应器，其结构类似于固定床反应器，在反应室(微通道)中填充了催化剂固定颗粒，气相和液相被分成若干流股，再经管汇到反应室中混合进行催化反应。

微通道反应器的优缺点介绍

微通道反应器的优点同常规反应容器(如烧瓶)相比，它的结构特征决定了其特殊优势，主要表现在以下几个方面：

对于反应温度的精准控制：对于强放热反应，如果混合和换热效率不高的话，容易出现局部过热的现象。而微通道内部具有很好的传热、传质特点，使得反应温度不会过度堆积，并精准控制在一定范围内。

比表面积大，传递速率高，接触时间短，副产物少：微反应通道特征尺度小，微通道比一般为5000～50000mm，单位体面积上传热、传质能力显著增强。

快速、直接放大：传统放大过程存在着放大效应，通过增大生产设备体积和规模达到放大目的，过程耗时费力，不能根据市场需求立即作出相应的反应，具有滞后性。而微反应系统呈多通道结构，每一通道相当于一独立反应器，在扩大生产时不再需要对反应器进行尺度放大，只需并行增加它的数量，即所谓的“数增放大”。

安全性高：大量热量也可以及时移走，从而保证反应温度维持在设定范围以内，最大程度上减少了发生事故可能性。

操作性好：微反应系统是呈模块结构的并行系统，具有便携性好特点，可实现在产品使用地分散建设并就地生产、供货，真正实现将化工厂便携化，并可根据市场情况增减通道数和更换模块来调节生产，具有很高的操作弹性。

由于它的诸多优势，微通道反应器技术在化学工业中的成功应用而引起越来越广泛地关注。

微通道反应器的适用范围

我们都知道微反应器有很多的优点，比如说优秀的传质传热能力，很大程度上减少了发生事故的可能性；快速直接的放大能力，节省成本时间等等。当然对于它也是有一定的局限性的，而正是因为有这样一些原因有很多实验不能使用微反应器进行实验。所以对于化工企业来说了解微通道反应器的适用的范围是很有必要的。

首先严格来说，目前很难界定哪些反应适用于微通道反应器，因为每个反应的特性不同，同时微通道反应器装置的种类也非常多。但一般认为，现有的合成反应有20-30%可以通过微通道反应器进行技改。同时利用微通道反应器，我们可以将大约20%-30%过去认为是危险的工艺流程进行实现。也就是说目前来看有接近30-50%的化工工艺可以通过微通道反应器进行技改。

从结构特点上来说，目前微通道反应器可以用于以下几种类型反应：

反应本身速度很快，但受制于传递过程的，整体反应速度偏低的反应这类反应主要为液液多相反应，也包括液液萃取等物理过程。这种过程的特点就在于：反应本身速度快，但是由于底物要在液相间扩散导至反应整体速率偏低。在传统的反应釜内部一般采用搅拌器进行反应，效率较低，无法充分实现两个液相间的混合，因此反应效率低下。而在微通道反应器内由于通道尺寸小带来的扩散尺度减小，导至这类反应可以快速进行。

反应本身速度快，但反应剧烈，强放热，产物容易破坏的反应这类反应主要有硝化，重氮化以及部分水解与烷基化反应。硝化以及重氮化反应本身是非常快速而剧烈的，但是实际工厂操作的时候往往反应时间是以小时计的。这是因为反应釜传热能力有限，为了防止体系内温度过高不可控制，需要一点一点的滴加试剂。可以说反应速度完全由移热能力确定。如果使用移热能力强的微通道反应器就可以快速通入试剂并维持反应平稳进行。可以说这一类反应最具有工业化前景，是应当优先考虑的过程。

需要严格控制反应器内部流型的反应。

这种反应主要为纳米颗粒的合成等，这类过程在之前已经介绍过了，主要利用微通道内部的流动规律性制备颗粒分布窄的材料，提高产品附加值。这类反应一般产品产量低，附加值很大，有的时候几块实验装置结合就能成为生产装置，应用前景也较为广阔。

部分气液反应从机理上可以采用微通道反应器，但是目前尚未出现好的气液反应器结构最明显的就是加氢，加氢当然有很多种类，部分加氢反应反应速率高，但受到氢气向液相扩散的限制，导至整体反应速率较低。在这种状况下，当然可以利用微通道的反应器的混合特性进行反应，类似于第一类反应，不过这里加强的是气液传质过程。但是气液过程有其特殊性，主要是在流体分配与控制方面，这导至适宜放大的气液微通道反应器还不存在。因此这方面实验研究非常活跃，工业应用上除非产量小可以直接使用实验装置否则没有可行性。

颗粒尺度达到微通道特征尺度的10%以上，固含量超过5%的含有固体的反应不使用微通道反应器。

微通道反应器系统技术要求

1、整体要求：合成反应系统包含可相互独立的反应物通道，独立的反应物通道不小于6个。

2、反应器支架可灵活配置反应模块的数量（不少于4个），含不少于8个入料与收集接口，4个换热流体接口。

3、反应器可通过两个恒温循环器与密封隔热板分隔实现两个温区，两个温区各自的控制区域可灵活设置。

4、反应模块为三层结构，上层为底板，中间层为混合或反应通道，下层为换热通道。模块均采用碳化硅材质，成型工艺采用扩散焊接技术，整体成型，保证气密性和耐高压性能，为了避免金属溶出性污染，模块中间不得安装金属连接件。

5、反应器包含多组碳化硅模块，包含混合模块及反应模块，可执行A+B→P或A+B→P’+C →P，混合模块也可用作猝灭模块，用于反应停止或降温。

6、反应通道结构设计能够在强化传质的同时减少返混，保证物料在反应器内停留时间的一致性，要求提供内部结构图。

7、热传导率：≥ 100W/mK（温度200℃范围内）。

8、耐腐蚀性：反应器的触液材质能够耐反应器操作温度下的硫酸、氢氟酸、氢溴酸、强碱等物质。

9、年损失率：≤0.1mm/年 (120℃ 1:1 HF/HNO3条件下测试)。

10、工艺侧工作温度范围：-20-150℃，换热测温度范围：-20-150℃。